复杂溶洞流沙地区保护地铁结构关键技术研发及应用

刘先南 ,罗艳 ,黄秋腾 ,贾明兴

摘要：面对复杂的溶洞流沙地质条件，地铁隧道结构复杂、沉降变形裂缝十分发育，地铁隧道上方施工的桩基础、承台、转换梁离地铁隧道距离均小于规范要求，转换梁施工还要破除既有的地铁隧道地下连续墙，以及地铁公司提出隧道沉降变形预警值从规范的10mm提高到6mm的新情况，传统的技术无法满足要求，要突破，必须寻找新的技术。鉴于此，为了满足这种高要求，就要从全方位角度出发，对复杂溶洞流沙地区地铁保护实际存在的问题进行探索和研究。本文也会针对这一课题，提出一种全新的复杂溶洞流沙地区地铁结构保护关键技术，并对其具体应用要点和技术原理等进行了深入总结，仅供参考。

关键词：复杂溶洞流沙地区；地铁结构保护关键技术；应用

目前我国人口众多，经济快速发展，给地球环境带来了很大的压力。出于对交通的需要，城市轨道交通路网发达，后续工程建设与地铁路网的交集越来越多，在地铁上方超近距离施工桩基础、基坑开挖、承台转换梁施工工程越来越多，目前对复杂溶洞流沙地区保护地铁结构的关键技术研究比较少，对于其相关的研究却严重滞后于工程实践，相应的实施指导规范也鲜有见到，其应用存在的问题大多依靠工程经验判断处理，一定程度上制约了其发展。鉴于此，当务之急就是要对复杂溶洞流沙地区保护地铁结构关键技术加大研究和应用力度。

1.技术原理分析

首先，采用三维有限元分析方法，仿真模拟临铁溶洞处理、地铁上方基坑开挖、承台、转换梁施工对既有地铁结构影响，优化了溶洞流沙地区地铁保护的施工工艺，通过计算，转换梁施工五个循环逐段开挖与两个循环挖一跳一的位移均满足要求，可以大大提高项目施工效率；其次，发明了隧道变形自动化监测系统，提出了地铁隧道安全状态实时远程监测方法，实测最大变形值与理论计算变形值比较接近，大大小于地铁集团公司要求的预警值，高于规范的要求；最后，提出了用于复杂溶洞流沙地区降水回灌智能井技术，有效避免了基坑施工降水对地铁运营安全的不利影响[1]。

2. 技术优势分析

本文提出的复杂溶洞流沙地区保护地铁结构关键技术，在广州白云国际机场P4交通综合体项目得到了较好的运用，有效提高了施工质量和施工效率，保证了地铁正常运行，节约了地铁监测费用600万元，缩短了施工工期87天，具体应用优势可以从以下几个方面去体现：首先，通过横跨地铁隧道转换梁支座结构关键技术研究，解决了复杂溶洞流沙地区横跨地铁隧道的转换梁支座结构实施的问题，有效地保证了本项目结构安全性、稳定性的同时也满足对运营中地铁隧道的保护要求，节约工期和成本；其次，通过采用三维有限元分析方法，仿真模拟临铁溶洞处理、地铁上方基坑开挖、承台转换梁施工各种工况对既有地铁结构影响的变形值，不仅从理论上计算出保证复杂地铁结构安全的有效措施，有效地防止了桩基础、基坑开挖、承台、地梁施工过程中引发的溶洞流沙地区突沉造成地铁隧道变形等问题的产生。而且还优化了承台转换梁开挖、浇筑的施工分块，从理论上否定了具有大风险的大开挖方案及保守的逐条开挖方案，最终选择了最经济合理的挖一跳一施工方案；第三，发明了隧道变形自动化监测系统，提出了地铁隧道安全状态实时远程监测方法，有效预防了施工过程中处理不当造成地铁隧道变形超过警戒值的情况，确保了地铁运行的安全，同时，还解决了正在运营地铁隧道人员不能进入测量的问题，帮助地铁保护相关部门能完全实时、客观真实地了解隧道工程安全状态，确保地铁隧道结构及车站在施工期间的安全；最后，提出了用于复杂溶洞流沙地区降水回灌智能井技术，有效避免了基坑施工降水对地铁运营安全的不利影响。

3.技术应用要点分析

3.1采用三维有限元分析法，对临铁溶洞处理、地铁上方基坑开挖、承台转换梁施工等各种工况进行仿真模拟时，关键任务就是要掌握以下两方面技术操作要点：首先，承台转换梁施工全过程中复杂隧道结构的变形分析，在这一环节中，要特别利用暗挖隧道、顶管隧道、明挖隧道薄弱接缝处的变形进行了模拟分析的变形值指导设计施工，从理论上计算出保证复杂地铁结构安全的措施；其次，提出了承台转换梁施工全过程中降水、回灌水位预警值、警界值；基坑降水分析工况基坑开挖前需要降水，水位降至基坑底以下0.5m，大面积的地下水位下降必将引起周围建（构）筑物产生附加应力引发变形，对周围环境产生不良影响。基于此，需进行基坑降水引起邻近地铁结构位移的分析。通过仿真计算，从理论上计算出水位变化值超过1.5米启动预警机制，超过2米启动回灌系统，从理论上计算出有效地防止了桩基础、基坑开挖、承台、地梁施工过程中引发的溶洞流沙地区突沉造成地铁隧道变形的问题；最后，根据模拟计算的结果，优化了承台转换梁开挖、浇筑的施工分块；通过仿真计算，从理论上否定了具有大风险的大开挖方案及保守的逐条开挖方案，最终选择了最经济合理的挖一跳一施工方案

[2]。

3.2采用降水回灌智能井技术，对基坑、回灌井和地铁结构周边设置水位观测点，可及时的监测沉降动态，及时响应，一方面通过在降水过程中，监控水位下降幅度，及时采取回灌施工，实现了有效防止或减少降水对周围环境的影响，避免产生过大的地面沉降的效果；另一方面通过智能回灌技术，预防和减少由于流沙、溶洞突发失水造成地铁隧道突沉变形的影响，保证地铁运营安全。

3.3提出了系统的溶洞处理方案，在这一环节中，首先，当地铁隧道外水平投影10米范围内桩基施工遇到溶洞时，桩基施工前需以超前钻探明溶洞情况，制定溶洞处理方案及应急预案；其中，溶洞深度小于3m的采用注浆预处理，溶洞深度大于3m的溶洞采用全护筒施工。洞高大于3m的半填充、全空溶洞建议先采用填砂处理，填砂处理的方法是在原钻孔附近(约0.6m）补钻一个φ130的投砂孔，后再采用注浆加固的方法溶洞处理前应先探查溶洞范围。其次，钻孔采用泥浆护壁，泥浆配置要保证膨润土与水的比例为1:3，同时注浆管应深入溶洞底岩层不少于0.1m，而注浆方式均采用袖阀管注浆，注浆管应深入溶洞底岩层不少于0.1m。另外，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，注浆孔成孔施工时,如发现溶洞已被相邻注浆孔灌浆时充填，则根据充填情况，采用花管注浆，注浆压力控制在0.5MPa内。溶土洞填充率检查，可考虑采用设置验证孔及"二次压浆"方法进行检查填充率。最后，在入岩后要有专人观测护筒内泥浆面的变化，根据钻孔的进尺情况，如果进尺由慢突然变快，或泥浆面突然下降，这时说明击穿了溶洞，当遇到溶洞漏浆时，迅速铲起片石和粘土填孔，同时集中水泵往孔内大量补水。应迅速补水和改变钻进速度以防止卡钻。如果此时出现斜孔，则采用块石和粘土对斜孔部位全部回填，重新钻孔。

结束语：

综上所述，本文提出的复杂溶洞流沙地区保护地铁结构关键技术，通过在广州白云国际机场P4交通综合体项目中的应用实践，可以得知，该技术不仅在施工过程中对地铁的保护安全稳定，而且其还具有较高的施工效率和地铁监测自动化程度，可以有效缩短工程施工周期，降低地铁监测费用，另外，其安全性高，对地铁隧道卸载造成的变形风险较小，完全符合科学发展观可持续发展的要求，因此，该技术是具有研究推广价值和应用前景的开挖施工形式，该项目成果的普及将会带来显著的经济和社会效益。

参考文献

[1]刘先南,罗艳等.一种用于复杂溶洞地区保护地铁结构的降水回灌工艺[J].建筑施工,2021,(02):25-26.

[2]蔡雷波.复杂环境下与既有运营地铁车站结构共墙的基坑施工关键技术[J].建筑施工,2021,(05):41-42.